一种振动叶片表面非定常压力测试系统及测试方法技术方案

一种振动叶片表面非定常压力测试系统及测试方法，采用直流并励电动机驱动被测叶轮机叶片做三维弯曲振动，使用光电探测系统锁定叶片振动相位，触发外置压力传感器采集周期性的叶片表面非定常压力相关数据，并进行分析，通过连接管传递函数修正测点与传感器之间的连接管对测量信号的畸变影响，获得被测振动叶片表面每个测点上的非定常压力，以及非定常压力与叶片振动位移之间的相位差，从而通过离线数据分析系统的计算，确定振动叶片的弦向局部气动阻尼、径向局部气动阻尼以及叶片整体的气动阻尼，并判断振动叶片的气动弹性稳定性。本发明专利技术可以提高振动叶片表面非定常压力测量的空间分辨率，从而提高叶片整体气动阻尼的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于振动叶片表面非定常压力的测试系统及测试方法，特别是基于一种外置压力传感器和管传递函数信号修正的振动叶片表面非定常压力测试系统及测试方法。
技术介绍
振动叶片表面非定常压力是由叶片振动诱导的随时间变化的周期性气动压力，而非定常压力测试系统是获得旋转机械振动叶片气动弹性分析中关键参数-气动阻尼的必备的测试系统。通常传统的国外的叶片表面非定常压力测试系统使用内置于被测叶片内的微型高频压力传感器，使用加速度仪同步振动位移与测量压力信号之间的相位差。由这种测试系统所获得的压力信号给出的振动结构整体气动阻尼值的精度，不能完全符合用于工程上叶片振动应力定量分析以及气动弹性稳定性判断的精度要求，也不能完全符合用于校核计算流体动力学(CFD)数值模拟模型的精度要求。主要有以下缺点测量叶片表面非定常压力所需的微型高频压力传感器的尺寸限制了叶片表面填埋压力传感器的数目，以致获取的叶片表面非定常压力的空间分辨率较低，从而使叶片整体气动阻尼的精度降低。而且微型高频压力传感器的安装无法保持叶片原有型面的形状，会对流体的流动状态造成影响；还需要额外的工作消除温度、安装应力和振动加速度对微型高频压力传感器测量精度和耐久性的影响；微型高频压力传感器的价格非常昂贵；特别使用加速度仪同步振动位移与压力信号之间相位差的方法，一方面，占用了有限的测量通道数，另一方面，增加了测量数据后处理的困难。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题克服现有技术的不足，提供，在提高测试参数的空间分辨，从而提高叶片整体气动阻尼的精度的同时，可以在线监测被测信号的测试质量，提高测量精度，减少测量误差，且后续处理简单，节省周期。本专利技术技术解决方案一种振动叶片表面非定常压力测试系统，测试实验台、连接管传递函数测试和分析系统、离线数据分析系统；所述测试实验台，包括被测振动叶片1、直流并励电机及控制系统2、光电探测系统3、压力传感器系统4、数据采集接口系统5、数据采集和监控系统6、测试计算机7 ；直流并励电机通过曲柄连接机构与叶栅中的被测振动叶片1相连接；被测振动叶片1表面上装备有多个测点，所述测点通过测点与传感器间连接管22与由放置在被测振动叶片1外的多个传感器组成的传感器系统4连接；压力传感器系统4通过数据采集接口系统5、数据采集和监控系统6与测试计算机7连接；数据采集和监控系统6通过数据采集接口系统5的外部触发器接口获得光电探测系统3测量的被测振动叶片1的振动频率，判断是否与预设频率值相符，如果不相符，则数据采集和监控系统6将信号送入直流并励电机及控制系统2， 通过电机控制器调节直流并励电机转速，直到符合预设频率值；同时数据采集和监控系统 6按照预设测试周期值采集由压力传感器系统4测量的被测振动叶片1表面非定常压力，并对采集的Nmb组测量数据进行相加并除以测试周期值Nmb，得到测量数据的相位锁定周期平均结果，将此结果送入测试计算机7中，测试计算机7在线判断结果数据的测量质量，若测量结果数据不符合要求，则将判别结果返回数据采集和监控系统6，数据采集和监控系统6 根据判别信息重新采集数据；如果测量结果数据合格，将判别结果返回数据采集和监控系统6，数据采集和监控系统6则进行新一组测点的测量，直到一个气动工况下，叶片表面所有的测点测量完毕，然后根据需要进行下一个气动工况下叶片表面非定常压力的测量；所述连接管传递函数测试和分析系统包括连接管传递函数测试装置23和连接管传递函数分析系统10 ；所述连接管传递函数测试装置23用于获得连接管22传递函数的两组测量数据，即扫频压力信号和由连接管22造成畸变后的扫频压力信号，并提供给连接管传递函数分析系统10 ；所述连接管传递函数分析系统10根据所述两组测量数据计算多个测点与传感器间连接管22的振动叶片非定常压力信号失真的修正信息，提供给离线数据分析系统；一种振动叶片表面非定常压力测试方法，实现步骤如下步骤1 将叶栅中的被测振动叶片1采用铰链安装在风洞外壁上，直流并励电机通过曲柄连杆机构与被测振动叶片1相连接；步骤2 电机控制器输出控制命令驱动直流并励电机，直流并励电动机再驱动被测叶片，以模拟振动叶片三维弯曲振动；步骤3 光电探测系统3采集被测振动叶片1的振动频率和振动相位锁定的信息通过数据采集接口系统5的外部触发器接口送入数据采集和监控系统6 ；步骤4 数据采集和监控系统6判断被测振动叶片1的振动频率值是否与预设振动频率值相符，如果不相符，则数据采集和监控系统6将所述振动频率送入直流并励电机及控制系统2，通过电机控制器调节直流并励电机转速，直到符合预设频率值；同时数据采集和监控系统6按照预设测试周期值采集由压力传感器系统4测量的被测振动叶片1表面非定常压力，并对采集的Nmb组测量数据进行相加并除以测试周期值Nmb，得到测量数据的相位锁定周期平均结果，将此结果送入测试计算机7中；步骤5 测试计算机7在线判断结果数据的测量质量，若测量结果数据不符合要求，则将判别结果返回数据采集和监控系统6，数据采集和监控系统6根据判别信息重新采集数据；如果测量结果数据合格，将判别结果返回数据采集和监控系统6，数据采集和监控系统6则进行新一组测点的测量，直到一个气动工况下，叶片表面所有的测点测量完毕，然后根据需要进行下一个气动工况下叶片表面非定常压力的测量；步骤6:变换下一组测点的连接管与压力传感器系统4连接，重复上述步骤 0)-(5)，直到振动叶片表面所有测点测量完毕，通过电机控制器调整振动频率到下一个气动工况，重复上述步骤0)-(5)，直到所有预设气动工况测量完毕；关闭直流并励电动机， 停止风洞运转，将保存到测试计算机7的分析结果文件复制到离线数据分析系统中进行分析；步骤7 测量结束后，通过离散分析系统得到预定气动状态下振动叶片的气动阻尼，即振动叶片的弦向局部气动阻尼、径向局部气动阻尼以及叶片整体的气动阻尼，并判断振动叶片的气动弹性稳定性。所述测试方法中，离线数据分析系统中通过信号频响分析系统9进行信号的频响分析，然后通过连接管传递函数分析系统10获得测点与传感器间的连接管造成的信号失真修正曲线，对测点与压力传感器系统之间的连接管22造成的测量信号畸变影响在信号修正系统11中进行修正，获得被测振动叶片1表面每个测点上的非定常压力幅值，以及非定常压力与被测振动叶片1振动位移之间的相位差，最后通过离线数据分析系统的气动阻尼分析系统13的计算，由测量的非定常压力确定振动叶片的弦向局部气动阻尼、径向局部气动阻尼以及叶片整体的气动阻尼，并对振动叶片1的气弹稳定性进行判断。本专利技术与现有技术相比的优点在于(1)本专利技术使用直流并励电机振动叶片，使用外置压力传感器采集振动叶片表面的非定常压力信号，通过非定常信号失真的离线修正方法，获得高空间分辨率的振动叶片表面非定常压力以及与振动位移的相位差，从而获得高精度的气动阻尼。(2)本专利技术振动叶片非定常压力测试系统可以测试叶片表面98%与95%叶高处的非定常压力，叶高小的叶片两者只相差2mm，而目前内置微型压力传感器的直径最小也为 2mm，无法分辨出这两个叶高处非定常压力值的不同，而叶尖处非定常压力值的空间分辨率对气动阻尼值的精度影响最大。因此本专利技术极大的提高了叶片表面非定常压力测量的空间分辨率。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种振动叶片表面非定常压力测试系统，其特征在于包括：测试实验台、连接管传递函数测试和分析系统、离线数据分析系统；所述测试实验台，包括被测振动叶片（１）、直流并励电机及控制系统（２）、光电探测系统（３）、压力传感器系统（４）、数据采集接口系统（５）、数据采集和监控系统（６）、测试计算机（７）；直流并励电机通过曲柄连接机构与叶栅中的被测振动叶片（１）相连接；被测振动叶片（１）表面上装备有多个测点，所述测点通过测点与传感器间连接管（２２）与由放置在被测振动叶片（１）外的多个传感器组成的传感器系统（４）连接；压力传感器系统（４）通过数据采集接口系统（５）、数据采集和监控系统（６）与测试计算机（７）连接；数据采集和监控系统（６）通过数据采集接口系统（５）的外部触发器接口获得光电探测系统（３）测量的被测振动叶片（１）的振动频率，判断是否与预设频率值相符，如果不相符，则数据采集和监控系统（６）将信号送入直流并励电机及控制系统（２），通过电机控制器调节直流并励电机转速，直到符合预设频率值；同时数据采集和监控系统（６）按照预设测试周期值采集由压力传感器系统（４）测量的被测振动叶片（１）表面非定常压力，并对采集的Ｎｅｎｂ组测量数据进行相加并除以测试周期值Ｎｅｎｂ，得到测量数据的相位锁定周期平均结果，将此结果送入测试计算机（７）中，测试计算机（７）在线判断结果数据的测量质量，若测量结果数据不符合要求，则将判别结果返回数据采集和监控系统（６），数据采集和监控系统（６）根据判别信息重新采集数据；如果测量结果数据合格，将判别结果返回数据采集和监控系统（６），数据采集和监控系统（６）则进行新一组测点的测量，直到一个气动工况下，叶片表面所有的测点测量完毕，然后根据需要进行下一个气动工况下叶片表面非定常压力的测量；所述连接管传递函数测试和分析系统包括连接管传递函数测试装置（２３）和连接管传递函数分析系统（１０）；所述连接管传递函数测试装置（２３）用于获得连接管（２２）传递函数的两组测量数据，即扫频压力信号和由连接管（２２）造成畸变后的扫频压力信号，并提供给连接管传递函数分析系统（１０）；所述连接管传递函数分析系统（１０）根据所述两组测量数据计算多个测点与传感器间连接管（２２）的振动叶片非定常压力信号失真的修正信息，提供给离线数据分析系统；所述离线数据分析系统，根据测试计算机（７）的测量结果和连接管的传递函数测试和分析系统得到的在不同长度连接管下不同振动频率下振动叶片非定常压力信号失真的修正信息，得到预定气动状态下振动叶片的气动阻尼，即振动叶片的弦向局部气动阻尼、径向局部气动阻尼以及叶片整体的气动阻尼，并判断振动叶片的气动弹性稳定性。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨慧，郑赟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11